Forskere lærer smiekunstens hemmeligheter
Kronikk publisert 27.05.16
Smiekunsten er den eldste kjente teknikken for å bearbeide jern, og har tusenårige tradisjoner. Nå gjenopptar forskere smietradisjonen for å forstå metallprosesser bedre.
METALLER: For å forstå hva som skjer når jern smis, må vi først se på hvordan metallet er satt sammen – atom for atom.
Atomene i metaller kan bevege seg uavhengig av hverandre. Det gjør at metaller, sammenlignet med mange andre typer stoffer, er smidige og formbare.
Innlegget fortsetter under filmen.
Jernatomene danner krystaller
Selv om metallatomer kan flyttes rundt på, vil de likevel legge seg i et regelmessig mønster – en krystallstruktur.
Hver krystall, eller korn, kan strekke seg over alt fra bare noen nanometer til flere centimeter. Vanlige metallgjenstander kan altså være satt sammen av tusenvis av korn.
Mikroskopbilde av strukturen i jern. De lyse kornene er rent jern, mens de mørke har høyt karboninnhold. Illustrasjon: NTNU
Atomene i metallet vil gjerne beholde krystallstrukturen, til og med hvis de skyves og flyttes på. Dermed skjer forming av et metall vanligvis ved at atomer sklir fra én plass til den neste i krystallen, og så videre. Hvis nok atomer gjør dette samtidig, kan de til sammen endre form på et stort stykke metall.
Varme øker formbarheten
Det kreves energi for å bevege atomene i krystallstrukturene, og det et er nettopp det vi tilfører når vi varmer opp metallet. Da øker metallets formbarhet.
Ved høy nok temperatur er det mulig å bruke en hammer til enkelt å forme metallet slik vi ønsker.
Derfor gir hamring hardere jern
Når vi hamrer på et jernstykke, og tvinger atomene til å bevege seg i slippsystemet, er det alltid noen atomer som blir presset ut av den riktige plassen sin. Dette gir feil i krystallstrukturen. Jo mer man bearbeider emnet, jo flere feil i krystallstrukturen skapes. Dannes det nok feil blir metallet veldig hardt, fordi krystallene ender med å holde hverandre fast og hindrer bevegelse.
Dermed fører smiing faktisk til at jernet blir hardere og tåler mer, noe som gjør det til en veldig attraktiv prosess for krevende produkter – for eksempel en kniv som må holde seg skarp lenge.
Hardt, men sprøtt, eller seigt og slitesterkt
En annen måte å gjøre jern sterkere på er å legge til legeringselementer. Da blander man andre stoffer sammen med jernet for å oppnå akkurat den egenskapen man ønsker seg. Viktigst er tilsetningen av karbon, som kan styre om metallet er hardt men sprøtt – egnet for en knivegg – eller seigt og slitesterkt – som i et hammerhode.
Brå nedkjøling gir hardt materiale
Tegning av krystallstruktur med markerte eksempler på plan der atomene har lett for å bevege seg. Illustrasjon: NTNU
Temperaturen på jernet avgjør også hvordan karbonet fordeler seg i metallet. Når det er varmt legger karbonatomene seg jevnt mellom jernatomene, mens de ved romtemperatur samler seg i små kolonier i kornstrukturen.
Ved å bråkjøle fra høy temperatur kan vi tvinge karbonet til å fortsatt være finfordelt i jernet, og vi får et svært hardt materiale. Det er dette vi gjør når vi dypper glødende jern i vann for å kjøle den.
Ny teknologi, samme prinsipper
Siden den industrielle revolusjon har måten vi smir på endret seg dramatisk. Fra å være et håndverk der en smed lagde enkeltgjenstander for hånd, har smiekunsten utviklet seg til en masseproduksjon. I dag brukes det maskinhammere og presser som kan lage alt fra et øksehode til en turbinaksling for dampturbiner.
Samtidig anvendes store ruller og valser, som er i stand til å forme mange meter stålplater i sekundet. Prinsippene om legering- eller tilsetting av andre elementer til metallet, varming, forming og kjøling er likevel fortsatt de samme.
Artikkelen er basert på et blogginnlegg på NTNU TechZone. Les hele innlegget her.
